Таємниці виникнення Всесвіту

Про спонтанне виникнення речовини з порожнього простору говорять як про народження «з нічого», що близько за духом народженню ex nihilo у християнській доктрині. Для фізики порожній простір зовсім не «нічого», а досить істотна частина Всесвіту, а думка про народження самого простору може показатися взагалі дивною. Однак у якомусь розумінні це увесь час відбувається навколо нас. Розширення Всесвіту є не що інше, як безперервне «розбухання» простору. З кожним днем доступна сучасним телескопам область Всесвіту зростає на 1018 кубічних світлових років. Тут корисна аналогія з гумою. Якщо пружний гумовий джгут витягнути, його «стає більше». Простір нагадує супереластик тим, що він, наскільки відомо фізикам, може необмежено довго розтягуватися не розриваючись. Розтягання і скривлення простору нагадує деформацію пружного тіла тим, що «рух» простору відбувається за законами механіки точно так само, як і рух звичайної речовини. У даному випадку це закони гравітації. Квантова теорія рівною мірою застосовна як до речовини, так і до простору і до часу.

Дійсно, завдяки власній фізичній природі Всесвіт збуджує в собі всю енергію, необхідну для «створення» матерії — це є космічний бутстреп (bootstrap — у перекладі «зашнурівка», у переносному значенні — відсутність ієрархії в системі елементарних часток).

Якщо частки речовини, відповідно до квантової теорії, можуть виникнути «з нічого», то що стосовно гравітації – чи не буде вона описувати виникнення «з нічого» і простору, і чи не є народження Всесвіту близько 14 млрд. років тому прикладом саме такого процесу?

В даний час квантова теорія застосовується і до простору-часу, і до речовини, і до Всесвіту в цілому. У цьому підході можна угледіти протиріччя: квантова фізика має справу з найменшими системами, тоді як космологія – з найбільшими. Проте, Всесвіт колись також був обмежений дуже малими розмірами і, отже, тоді були надзвичайно важливі квантові ефекти. Результати обчислень говорять про те, що квантові закони варто враховувати в еру ТВО (10-32 сек), а в еру Планка (10-43 сек) вони, імовірно, повинні відігравати визначальну роль. Як вважає Алекс Віленкін з Університету Тафта, між цими двома епохами існував момент часу, коли виник Всесвіт. За словами Сіднея Коулмена з Гарвардського університету, Всесвіт зробив квантовий стрибок з Нічого в Час.

Головні труднощі в поясненні походження Всесвіту заключаються в описі процесу її народження зі стану хибного вакууму. Якби знову виниклий простір-час виявився в стані справжнього вакууму, то інфляція ніколи не змогла б відбутися. Великий вибух звівся б до слабкого сплеску, а простір-час через мить знову припинили б своє існування – його винищили б ті самі квантові процеси, завдяки яким він спочатку виник. Якби Всесвіт не опинився у стані хибного вакууму, він ніколи не був би втягненим у космічний бутстреп і не матеріалізував би своє ілюзорне існування. Можливо, стан хибного вакууму виявляється кращим завдяки характерним для нього екстремальним умовам. Наприклад, якщо Всесвіт виник при досить високій початковій температурі, а потім остивав, він міг би навіть «сісти на мілину» в хибному вакуумі, але поки багато технічних питань такого типу залишаються невирішеними.

Якщо мова йде про простір-час, то в будь-якому випадку немає сенсу говорити про причинність в звичному розумінні. Звичайне поняття причинності тісно зв'язане з поняттям часу, і тому будь-які уявлення про процеси виникнення часу або його «виходу з небуття» повинні спиратися на більш широке уявлення про причинність.

З теорії суперструн Майкла Гріна з Коледжу королеви Марії при Лондонському університеті і Джона Шварца з Каліфорнійського технологічного інституту (США) виходить, що наш Всесвіт знаходиться в десятивимірному просторі, де три явно «відчуваються» нами, а сім «згорнуті» і знаходяться в глибинах субатомних часток.

Якщо простір справді десятивимірний, то теорія вважає всі десять вимірів цілком рівноправними на найбільш ранніх стадіях. Приваблює можливість зв'язати явище інфляції зі спонтанною компактифікацією (згортанням) семи з десяти вимірів. Відповідно до такого сценарію, "рушійна сила" інфляції являє собою побічний продукт взаємодій, що виявляються через додаткові виміри простору. Далі десятивимірний простір міг би природно еволюціонувати таким чином, що при інфляції три просторових виміри сильно розростаються за рахунок семи інших, котрі, навпаки, стискуються, стаючи невидимими? Таким чином, квантова мікробульбашка десятивимірного простору стискується, а три виміри завдяки цьому роздуваються, утворюючи Всесвіт: інші сім вимірів залишаються в полоні мікрокосмосу, відкіля виявляються лише побічно – у формі взаємодій. Ця теорія на сьогоднішній момент здається дуже привабливою.

Отже, уже зараз можна дати загальний ескіз подій, у результаті яких Всесвіт набув вигляду, який сьогодні спостерігається. На самому початку Всесвіт спонтанно виник "з нічого".

Завдяки здатності квантової енергії служити свого роду ферментом, бульбашки порожнечі простору могли роздуватися з усе зростаючою швидкістю, створюючи завдяки бутстрепу колосальні запаси енергії. Цей хибний вакуум, наповнений самопородженою енергією, виявився хитким і став розпадатися, виділяючи енергію у виді тепла, так що кожна бульбашка заповнилася вогняною матерією (фаєрболом). Роздування (інфляція) бульбашок припинилося, але почався Великий вибух.

У цей «час» на «годиннику» Всесвіту було 10-32 секунди. З такого фаєрболу і виникла вся матерія і усі фізичні об'єкти. В міру остигання космічний матеріал зазнав послідовних фазових переходів. При кожному переході з первинного безформного матеріалу «виморожувалося» все більше різних структур, одна за іншою відокремлювалися одна від другої взаємодії. Крок за кроком об'єкти, що ми називаємо тепер субатомними частками, набували властивих їм нині рис. У міру того як склад «космічного супу» усе більше ускладнювався, великомасштабні нерегулярності, що залишилися з часів інфляції, розросталися в галактики. У процесі подальшого утворення структур і відокремлення різних видів речовини Всесвіт усе більше здобував знайомі форми. Гаряча плазма конденсувалася в атоми, формуючи зірки, планети і, у кінцевому рахунку — життя. От так, приблизно, Всесвіт "усвідомив" саме себе.

Уперше космологічний принцип був сформульований німецьким філософом Миколою Кузанським, який ще у XV столітті стверджував, що «вічно рухомий Всесвіт не має ні центру, ні окружності, ні верху, ні низу, він однорідний, у різних його частинах панують однакові закони».

Йому ж належить знаменитий афоризм: «Всесвіт є сфера, центр якої усюди, а окружність ніде», який часто помилково приписують Джордано Бруно або Паскалю, вони ж усього лише повторили висловлювання кузанця.

Слово «Всесвіт» (Universe) означає єдність, спільність усіх речей, які розглядаються як ціле. Речовина, енергія, простір, час, взаємодії, упорядкованість і структура — усі ці поняття, запозичені з «прейскуранта творця», служать невід'ємними характеристиками Всесвіту. Нова фізика відкриває привабливу можливість наукового пояснення походження всіх цих речей, а усі фундаментальні властивості фізичного світу можуть з'явитися автоматично як наслідок законів фізики, без необхідності припускати існування вкрай специфічних початкових умов. Як наслідок, нова космологія стверджує, що початковий стан космосу не грає ніякої ролі, тому що вся інформація про нього стерлася в ході інфляції, а Всесвіт, який ми зараз спостерігаємо, несе на собі лише відбиток тих фізичних процесів, що відбувалися з моменту початку інфляції.

Треба розуміти, що уявлення про утворення й еволюцію Всесвіту засновані головним чином на гіпотезах і екстраполяціях, яким надзвичайно складно дати переконливе підтвердження, і воно лише результат теоретичного моделювання — процедури багато в чому спірній.

UNIT 6. HAWKING AT 70